Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
Павловская Ольга Геннадьевна
АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ПО ГЕОДЕЗИЧЕСКИМ ДАННЫМ ДИНАМИКИ ОПОЛЗНЕЙ В УСЛОВИЯХ ПРОВЕДЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ И РАЗГРУЗКИ СКЛОНОВ
25.00.32 - Геодезия
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Новосибирск 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Сибирская государственная геодезическая академия.
Научный руководитель - доктор технических наук, доцент Хорошилов Валерий Степанович.
Официальные оппоненты - доктор технических наук, старший научный сотрудник Каленицкий Анатолий Иванович;
кандидат технических наук, доцент Азаров Борис Федотович.
Ведущая организация - ФГБОУ ВПО Томский государственный архитектурно-строительный университет (ТГАСУ) (г. Томск).
Защита состоится 15 марта 2012 г. в 14-00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.02 при ФГБОУ ВПО Сибирская государственная геодезическая академия по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ауд. 403.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО СГГА.
Автореферат разослан 14 февраля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Середович В.А.
Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997.
Подписано в печать 08.02.2012. Формат 60 84 1/16.
Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10.
Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного,
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Актуальность задачи изучения динамики оползневых процессов обуславливается, в первую очередь, опасностью оползневых явлений в зонах строительства и эксплуатации инженерных сооружений, таких как гидроэлектростанции, плотины, мосты и др. При этом следует отметить, что в технической литературе практически отсутствуют исследования динамики оползневых склонов в условиях техногенных воздействий в виде разработки карьеров взрывами и вывозом грунтов из них.
Необходимость геодезического контроля за оползневыми процессами очевидна, поскольку его результаты наиболее точно отражают в интегральной количественной форме динамику развития этих сложных по своей природе и опасных явлений. На основании изучения значительного опыта геодезических наблюдений за оползнями можно утверждать, что до сих пор отсутствует научнообоснованная методика оптимального выбора пространственно-временной достаточности и измерительной точности геодезического контроля за оползнями, не разработаны нормативно-технические требования для применения в этих целях самых эффективных по маневренности, оперативности и точности современных электронных тахеометров и спутниковых методов. Нередко объективно существующим фактором, искажающим оценку реальной мобильности оползней, является нарушение устойчивости исходной геодезической основы, возникающее обычно при контроле оползневых зон на больших площадях.
В целом отмеченные недостатки геодезических наблюдений за оползнями приводят к неполноте и некоторой неопределённости получаемой информации о фактической мобильности контролируемых оползней. Устранение или ослабление влияния указанных недостатков должно осуществляться путём совершенствования существующих и разработки новых методик, как в области геодезических наблюдений, так и в математической обработке их результатов.
Степень разработанности проблемы. Значительный вклад в разработку математического аппарата для изучения оползневых процессов по геодезиче ским данным и в развитие инженерной геодинамики внесли учёные: Брайт П. И., Бузак Е. Г., Видуев Н. Г., Григоренко А. Г., Гуляев Ю. П., Генике А. А., Гулакян К. А., Золотарев Г. С., Клюшин Е. Б., Лазарев В. М., Михелев Д. Ш., Келль Н. Г., Кюнтцель В. В., Круподеров В. С., Маркузе Ю. П., Мазуров Б. Т., Панкрушин В. К., Постоев Г. П., Симонян В. В., Тихвинский И. О., ТерСтепанян Г. И, Федосеев Ю. Е., Федоренко В. С., Щадунц К. Ш., Шеко А. И., Adler R., Boorde C., Krizek R., Lewis H., Schuster R., Seqall P., Smith R. и др.
Цель исследований: разработка методики анализа и оценки динамики оползневых склонов по результатам геодезических наблюдений в условиях производства взрывных работ и вывоза грунта из карьеров при отсутствии конкретных данных о техногенных воздействиях.
Задачи исследований:
- выполнить обоснование актуальности и новизны исследований, анализ исходных данных с позиций выявления особенностей влияния на оползневый процесс техногенных воздействий различной природы, определение цели и задач исследования;
- разработать обоснованную методику выявления особенностей влияния взрывных воздействий и вывоза грунта из карьеров (разгрузка склонов) на вертикальные перемещения оползневого склона;
- представить разнознаковую реакцию оползневого склона на взрывы и разгрузку с целью последующего перехода к центрированному нормально распределённому процессу, свободному от влияния взрывных и разгрузочных воздействий, для последующего математического моделирования закономерностей развития вертикальных оползневых перемещений;
- разработать методику определения границ однородных оползневых зон по вертикальным перемещениям осадочных реперов в разных циклах наблюдений.
Объектом исследований являлся оползневой процесс, развивающийся в зоне строительства каменно-набросной плотины (на примере Богучанской ГЭС) в условиях проведения взрывных работ и вывоза грунта из карьеров, представленный геодезическими данными о вертикальных перемещениях оползневых склонов.
Предметом исследований является методика анализа и оценка по геодезическим данным динамики оползневых процессов в условиях вышеуказанных техногенных воздействий при отсутствии информации о местах, времени и интенсивности воздействий.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследований.
Теоретической базой для проведения исследований являлись методы корреляционного, дисперсионного и регрессионного анализа, элементы математической статистики, теории погрешностей измерений и методы математического моделирования; для разработки методики анализа динамики оползневых процессов по геодезическим данным использовались возможности математико-статисти- ческого аппарата и прикладных программ (Excel, CREDO_ТОПОПЛАН).
Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту:
- методические решения по анализу и оценке динамики оползневого процесса в осложнённых условиях проведения взрывных работ с последующей разгрузкой склонов;
- методические решения для реализации математического моделирования закономерности развития оползневого процесса по результатам геодезических наблюдений за вертикальными перемещениями оползневого склона;
- методика определения границ однородных оползневых зон по вертикальным перемещениям осадочных реперов в разных циклах наблюдений.
Научная новизна результатов исследований обусловлена необходимостью разработки современных эффективных методик для оценки динамики оползневых процессов и представлена решением при разработке методики следующих задач:
- подтверждена разнознаковая реакция оползневого склона в условиях выполнения взрывных работ и разгрузки оползневых склонов;
- решена задача перехода от значений перемещений исходных реперов (наблюдавшихся на разновременных межцикловых интервалах) к скоростям этих перемещений с оценкой точности вычисленных межцикловых скоростей;
- предложены и реализованы методические решения для реализации математического моделирования разнознаковых оползневых перемещений с инверсной верификацией по результатам натурных наблюдений;
- разработана методика определения границ однородных оползневых зон по вертикальным перемещениям осадочных реперов в разных циклах наблюдений.
Научная и практическая значимость работы. Разработанная методика анализа и оценки динамики оползневых процессов по результатам геодезических данных в условиях выполнения взрывных работ и разгрузки оползневых склонов позволяет существенно повысить точность определения параметров оползневых смещений, что ведёт к повышению качества и эффективности последующего проектирования научно-обоснованных противооползневых мероприятий.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует п. 3 - Разработка новых принципов, методов и технологий измерений геометрических и физических параметров Земли, ее поверхности и объектов на ней паспорта научной специальности 25.00.32 - Геодезия, разработанного экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ по техническом наукам (Науки о Земле).а Апробация и реализация результатов исследования. Основные положения и результаты исследований, выводы и практические рекомендации по теме диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:
V Международном научном конгрессе ГЕО-Сибирь-2009, 20Ц24 апреля 2009 г., г. Новосибирск; VI Международном научном конгрессе ГЕО-Сибирь-2010, 19Ц29 апреля 2010 г., г. Новосибирск; Международной научной конференции Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии, 2010 г., МГУ, г. Москва; VII Международном научном конгрессе ГЕО-Сибирь-2011, 19Ц29 апреля 2011 г., г. Новосибирск.
Основные результаты диссертационной работы использованы в ФГУП ПО Инжгеодезия (г. Новосибирск) и в учебном процессе ФГБОУ ВПО СГГА при изучении специальных дисциплин Математическое моделирование, Геодинамика студентами, обучающимися по специальностям Прикладная геодезия, Астрономо-геодезия.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных статей; из них одна статья - в реферируемом журнале Геодезия и картография, входящем в Перечень изданий, определённых ВАК Минобрнауки РФ.
Структура диссертации. Основное содержание диссертации изложено на 146 страницах текста. Диссертация состоит из введения, трёх разделов, заключения, списка использованных источников и приложения; содержит 15 таблиц, 9 рисунков, 8 приложений и список использованных источников из 120 наименований.
Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 012Ц011.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснованы выбор темы диссертационного исследования и её актуальность; определены цели и задачи исследования, его предмет и объект;
сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту; отмечены научная новизна и практическая значимость; приведены основные научные и практические результаты.
В первом разделе диссертации рассмотрены вопросы, связанные с оползнями - сложными природными и техногенными процессами, выполнен анализ существующих методов изучения оползневых явлений. Анализ различных классификаций оползней отечественных и зарубежных авторов показывает, что существует множество типов оползневых процессов, различающихся размерами и формой, глубиной захвата и формой поверхности скольжения, характером смещения земляных масс, их скоростью, периодичностью, состоянием поверхности и т. д. Приводятся основные природные и техногенные факторы формирования этих опасных природных процессов.
Показано, что исследование оползней выполняют преимущественно инженерно-геологическими и гидрогеологическими методами. Для объяснения влияния геологических факторов на характер движения оползней используют геодезические данные, включающие результаты наблюдений за перемещениями оползней, топографическую информацию о рельефе местности, об ориенти ровании оползневых склонов, которые играют также важную роль в оценке возможностей возникновения критических оползневых ситуаций.
Отмечается, что геодезические данные о пространственно-временном плановом и высотном перемещении контролируемых оползневых знаков представляют особо ценную интегральную количественную характеристику результатов сложного взаимодействия ряда факторов, которые определяют динамику оползней. Такие данные являются основой для выявления закономерностей и особенностей развития оползневых процессов. Топография рельефа местности отражает степень влияния гравитационных сил на движение оползней; ориентирование оползневых склонов относительно сторон света и другие ландшафтные признаки определяют уровень инсоляции и характер изменения динамики изучаемых процессов.
На основе выполненного автором анализа научных публикаций и научнотехнических отчётов по строительству Богучанской ГЭС было выявлено, что оползневая зона распространяется на (500Ц1 000) м вблизи плотины; при этом можно выделить активную и малоподвижную её части. Степень мобильности активной её части характеризуется, например, тем, что один из пунктов гидротехнической сети переместился по модулю планового репера на 280 мм за 8 лет. На малоподвижной части периодически наблюдаются плановые перемещения пунктов гидротехнической сети порядка (20Ц30) мм, подтверждающиеся вертикальными перемещениями.
Выполненный автором анализ методов выявления наиболее стабильной высотной основы исходных реперов для изучения оползневых процессов (в общем случае оценка устойчивости состоит в разделении полученных данных на собственно смещения и возможные ошибки их определения) позволил разделить их на две группы:
- методы, в основе которых лежит принцип неизменной отметки одного из наиболее устойчивых реперов сети;
Гуляев, Ю. П. Геодезические исследования техногенной геодинамики на строящейся Богучанской ГЭС / Ю.П. Гуляев, А. П. Павлов // Гидротехническое строительство. - 1993. - № 9. - С. 8Ц11.
- методы, в основе которых лежит принцип неизменной средней отметки всех реперов сети или группы наиболее устойчивых реперов.
Отмечается, что наиболее широкое распространение на практике получили методы (Костехел А., Карпенко В. А., Лазарини Т., Рунов И. В., Соловьев А. Д., Черников В. Ф., Федосеев Ю. Е. и др.).
В диссертации показано, что для предварительной обработки результатов геодезических наблюдений за оползневым процессом в большей степени применяются математико-статистические методы; в результате устанавливаются законы распределения результатов измерений и их погрешности, выявляются грубые и систематические погрешности наблюдений, а также определяются основные кинематические характеристики оползневых смещений: величины пространственных смещений оползневых точек, изменение скорости и ускорений оползневых смещений за определённый промежуток времени.
При дальнейших исследованиях, для выявления особенностей и закономерностей динамики оползней на основе геодезических данных, применяют корреляционный, дисперсионный и регрессионный анализ.
Во втором разделе диссертации выполнено методическое и теоретическое обоснование разрабатываемой методики оценки динамики оползневых процессов по геодезическим данным в условиях выполнения взрывных работ с последующей разгрузкой оползневых склонов.
Исследование реакции оползневого склона на взрывы и разгрузку выполнялось по геодезическим данным о вертикальных перемещениях пяти реперов, закреплённых на его поверхности, которые сохранились от взрывов на протяжении девяти лет. Вертикальные перемещения определялись нивелированием III класса, производившимся по правобережной оползневой зоне. Межцикловое уравнивание нивелирной сети было выполнено Васильевым Е. А. разработанным им методом. Исходными данными для исследований послужили уравненные по циклам высоты реперов и их средние квадратические ошибки.
Васильев, Е. А. Рекуррентный алгоритм уравниваний в задачах анализа устойчивости геодезической основы / Е. А. Васильев // Геодезия и фотограмметрия в горном деле. - Свердловск: СГИ, 1985. - С. 3Ц8.
Изучение изменений вертикальных перемещений по времени показало, что количество циклов наблюдений и календарные сроки их выполнения не позволяют выявить сезонное влияние природных факторов, подавляемое техногенными воздействиями. Однако при этом просматривалось воздействие взрывов и разгрузки склонов в виде последовательных чередований минусовых и плюсовых значений перемещений. В целях подтверждения обозначившейся разнознаковой реакции оползневого склона на техногенные воздействия и выявления закономерностей её развития разработана методика исследований, основные методические и теоретические положения которой представлены ниже.
Предлагаемая методика оценки мобильности оползней складывается из двух составляющих. Первая составляющая относится к поиску инвариантов устойчивых или более устойчивых исходных пунктов из группы оползневых знаков в условиях их мобильности; вторая - к оценке мобильности оползней на основе результатов геодезических наблюдений.
Нахождение инвариантов устойчивых или наиболее устойчивых наблюдаемых оползневых знаков позволяет повысить объективность представления реальной картины развития оползневых процессов в условиях некоторой неопределённости геодезической информации. В качестве математического аппарата для разработки методики использовался метод исследования взаимной устойчивости исходных реперов, предложенный Федосеевым Ю. Е., позволяющий не только выявить через межцикловые колебания высот исследуемой группы реперов в системе их средней высоты неустойчивые реперы, но и установить величину их смещения. Метод даёт возможность получить количественную характеристику мобильности и при необходимости корректировать высоты исходных реперов. С использованием данного метода были скорректированы высоты всех реперов исследуемой группы, т. е. получены оценки фактических высот реперов (таблица 1).
Практикум по прикладной геодезии. Геодезическое обеспечение строительства и эксплуатации инженерных сооружений: учеб. пособие для вузов / Е. Б. Клюшин, Д. Ш. Михелев, Д. П. Барков и др. - М.: Недра, 1993. - 368 с.
Таблица 1 - Фрагмент ведомости скорректированных высот исходных реперов высотной основы по методу Федосеева Ю.Е. (м) Номер репера Номер цикла 8021 8022 8023 8024 801 197,753 193,995 189,410 175,458 157,02 197,749 193,991 189,404 175,441 157,03 197,742 193,984 189,401 175,441 157,04 197,750 193,989 189,404 175,443 157,05 197,744 193,983 189,395 175,432 157,06 197,745 193,985 189,396 175,433 157,07 197,738 193,980 189,387 175,416 157,08 197,738 193,977 189,384 175,416 157,09 197,737 193,977 189,383 175,417 157,010 197,735 193,978 189,382 175,413 157,011 197,742 193,981 189,385 175,416 157,012 197,738 193,975 189,382 175,415 157,013 197,736 193,973 189,380 175,411 157,014 197,730 193,969 189,377 175,409 157,015 197,737 193,977 189,377 175,412 157,0На следующем этапе по скорректированным высотам реперов осуществлялся переход от значений перемещений, наблюдавшихся на разновременных межцикловых интервалах, к скоростям этих перемещений. Так нормировались контролируемые параметры исследуемого процесса безотносительно к межцикловым промежуткам времени. При этом производилась оценка точности вычисленных межцикловых скоростей. Межцикловые колебания высот исследуемого репера вычислялись по формуле:
xi Hit Hit , (1) j j jгде t, t - текущие моменты (j - 1)-го и j-го циклов наблюдений;
j1 j t t - межцикловые интервалы наблюдений;
j j j Hit , Hit - высоты оползневого i-го репера в моменты времени j1 j t и t соответственно.
j1 j Средняя квадратическая ошибка межциклового перемещения xi с учёj том автокорреляционной зависимости ошибок имеет вид:
2 mx mH mH 2mH mH rH t,t , (2) j j1 j где mH , mH - средние квадратические ошибки высот i-го репера в периоды времени t и t соответственно;
j1 j rH t,t - коэффициент автокорреляции, отражающий степень завиj1 j симости между значениями погрешностей вертикальных перемещений в циклах t и t.
j1 j Скорость смещения оползневой марки определялась с использованием выражения:
xi .
j vi (3) j j После дифференцирования функции (3) и перехода к средним квадратическим ошибкам получено выражение для оценки точности межцикловых скоростей:
2 2 mv mx x2 m, (4) где mx - средняя квадратическая ошибка межциклового перемещения, определяемая по формуле (2);
m - средняя квадратическая ошибка значения , определяемая продолжительностью наблюдения.
Полученные результаты позволили выполнить сравнительный анализ развития оползневого процесса безотносительно к продолжительности межцикловых промежутков времени. Имеющая место близость значений скоростей и их погрешностей обусловлена малыми скоростями на коротких межцикловых интервалах времени, а также недостаточной точностью нивелирования III класса.
При этом следует учитывать, что значения плюсовых скоростей уменьшены продолжавшимися в процессе разгрузки склона естественными перемещениями оползня вниз, а минусовые скорости снижены инерционным влиянием предшествующей разгрузки. Таким образом, была доказана разнознаковая реакция оползневого склона на взрывные и разгрузочные воздействия (рисунок 1). Это дало основание на следующем этапе исследований конструктивно раздельно рассматривать отрицательные и положительные составляющие процесса вертикальных перемещений в соответствии с его детерминированно-вероятностной природой.
Рисунок 1 - Разнознаковые составляющие процесса вертикальных перемещений при взрывных работах и разгрузке оползневых склонов Последующий этап методики исследования процесса разнознаковых оползневых перемещений заключался в его математическом моделировании, складывающемся из ряда процедур.
Начальная процедура состояла в раздельном конструировании отрицательных и положительных перемещений, отражающих различную природу реакции склона на взрывы и разгрузку (таблица 2 и рисунок 2). Далее производилось раздельное центрирование вышеуказанных составляющих процесса, в результате которого выявился характер двух видов влияния техногенных воздействий в форме изменений во времени средних значений перемещений, зафиксированных наблюдениями (рисунки 3 и 4). Центрированные значения минусовой составляющей процесса имели преимущественно положительную тенденцию развития, а плюсовой составляющей - отрицательную, что подтвердило отмеченное выше компенсационное и инерционное влияние факторов.
Таблица 2 - Ведомость отрицательных и положительных составляющих процесса вертикальных перемещений Межцикловый , год Номер репера Ср. перем.
интервал 8021 8022 8023 8024 8025 (мм/год) 1 2 0,75 -4,15 -4,15 -5,70 -16,55 -19,65 -10,2 3 0,10 -6,45 -6,45 -3,35 -0,25 7,50 -1,4 5 0,90 -5,55 -5,55 -8,65 -10,20 -8,65 -7,6 7 0,40 -7,50 -5,95 -9,05 -16,80 -26,10 -13,8 9 0,25 -0,85 0,70 -0,85 0,70 -11,70 -2,9 10 0,20 -2,30 0,80 -0,75 -3,85 -2,30 -1,11 12 0,25 -4,00 -5,55 -2,45 -0,90 -0,90 -2,12 13 0,30 -1,75 -1,75 -1,75 -3,30 -4,85 -2,13 14 0,20 -5,45 -3,90 -3,90 -2,35 -0,80 -3,15 16 0,55 -2,05 -5,15 -2,05 -6,70 -14,45 -6,17 18 0,27 -17,30 -25,05 -20,40 -20,40 -31,25 -22,19 20 0,25 -14,60 -16,15 -19,25 -25,45 -34,75 -22,21 22 0,35 -13,75 -9,10 -18,40 -19,95 -18,40 -15,Межцикловый , год Номер репера Ср. перем.
интервал (мм/год) 8021 8022 8023 8024 803 4 0,20 7,50 4,40 2,85 1,30 -0,25 3,5 6 0,20 0,65 2,20 0,65 0,65 0,65 0,7 8 0,20 0,15 -2,95 -2,95 0,15 11,00 1,10 11 0,30 7,10 2,45 2,45 2,45 5,55 4,14 15 0,25 6,30 7,85 0,10 3,20 4,75 4,16 17 0,53 2,45 10,20 7,10 10,20 27,25 11,18 19 0,55 6,80 9,90 6,80 -0,95 -0,95 4,20 21 0,50 9,40 7,85 12,50 17,15 24,90 14,22 23 0,25 19,25 14,60 23,90 22,35 17,70 19,23 24 0,25 1,25 2,80 -0,30 1,25 2,80 1,24 25 0,75 3,90 3,90 5,45 10,10 -0,75 4,Рисунок 2 - Результаты раздельного конструирования отрицательных и положительных составляющих процесса вертикальных перемещений Рисунок 3 - Центрирование положительной составляющей процесса вертикальных перемещений при взрывных работах и разгрузке склонов Рисунок 4 - Центрирование отрицательной составляющей процесса вертикальных перемещений при взрывных работах и разгрузке склонов Очевидно, что центрированные значения обеих составляющих процесса отражают преимущественно естественный характер его развития с малой долей влияния техногенных воздействий. Поэтому они оказались близкими между собой, что позволило объединить центрированный процесс в пять реализаций путём осреднения его значений по близкорасположенным соседним сечениям и включения значений отдельных удалённых сечений.
В целом были получены пять объединённых реализаций центрированного процесса и два графика развития средних минусовых и плюсовых вертикальных перемещений, характеризующих степень влияния каждого из рассматриваемых техногенных воздействий (рисунок 5).
Рисунок 5 - Объединенный центрированный процесс положительной и отрицательной составляющих в виде пяти реализаций Последующая процедура заключалась в моделирования пяти центрированных реализаций процесса в кинематической форме в виде закона их распределения, представленного аппроксимированными во времени стандартом и автокорреляционной функцией при нулевом математическом ожидании и обеспечении нормальности распределения в сечениях с использованием математических моделей, разработанных Гуляевым Ю. П. Разработанная методика выявления закономерностей позволяет в дальнейшем оценить ожидаемую динамику оползней в данных или подобных условиях.
Для оценки полной составляющей значений вертикальных перемещений каждого репера, т. е. с учётом влияния взрывных и разгрузочных воздействий, необходимо вместо сконструированного нулевого математического ожидания процесса использовать его модели, отражающие разнознаковую реакцию вертикальных перемещений на взрывы и разгрузку в зависимости от пространственно-временного положения и интенсивности этих воздействий. Однако в нашем случае отсутствуют исходные данные для построения таких моделей и в простейшем варианте возможно лишь прямое соответствующее использование геодезических данных о реакции перемещений на взрывы и разгрузку, и к тому же это не входило в задачи исследований.
Гуляев, Ю. П. Прогнозирование деформаций сооружений на основе результатов геодезических наблюдений / Ю. П. Гуляев. - Новосибирск: СГГА, 2008. - 256 с.
Дальнейшая процедура заключалась в установлении границ оползневых зон. Так как полученная исходная совокупность перемещений оползневого склона, как правило, является неоднородной, то ставилась задача научно обоснованного установления границ между однородными частями данной совокупности. В качестве инструментария для формирования статистически однородных групп оползневых перемещений в нашем случае использовался параметр - коэффициент вариации V, характеризующий в относительной мере степень рассеивания значений исследуемого признака. В основу реализации данного этапа положена идея Сиськова В. А. - использование коэффициента вариации для определения интервалов при группировках статистически однородных групп. По устанавливаемому пределу коэффициента вариации V определялось наиболее целесообразное число групп путём вычисления количества элементов, входящих в неё, и таким образом, исходная неоднородная совокупность разбивалась на ряд однородных частей. Совокупность признаков считалась однородной при 0,25 V 0,33.
Основные этапы формирования по геодезическим данным статистически однородных групп перемещений оползневых масс реализованы в следующей последовательности:
а) по значениям коэффициента вариации V и объёму n исходной совокупности данных определялась верхняя граница коэффициента вариации V1, значение которого вычислялось по формуле:
Vn Vt n1 0,5, V1 (5) 2 n V t 1 0,5 n 4t2 n где 1 - промежуточный коэффициент, используе 2t мый для упрощения формулы (5);
t - коэффициент, соответствующий принятому уровню вероятности в различии средних, рассчитываемый по формуле:
Сиськов, В. А. Об определении величин интервалов при группировках [Текст] / В. А. Сиськов // Вестник статистики. - 1971. - № 12. - С. 3Ц11.
x xt 3, (6) n nгде x, x1 - средние значения исходной совокупности и первой группы соответственно;
, 1 - стандарты исходной совокупности и первой группы соответственно;
n, n1 - объемы исходной совокупности и первой группы соответственно.
В наших расчётах принималось значение t = 4, что обеспечивало вероятность, равную 0,999.
Если вычисляемое по формуле (6) значение коэффициента вариации в группе оказывалось V1 > 0,33, то значение V1 принималось равным 0,33. Если V1 0,33, то значение V1 принималось равным величине, не превышающей верхней границы (это может быть значение из интервала (0,25; 0,32));
б) доля k1 для первой выделяемой группы в объёме общей совокупности определялась по формуле:
k1 , (7) nV1 V где V V12t2 - промежуточный коэффициент, используемый для упрощения вида формулы (7);
в) объём n1совокупности данных первой группы определялся по формуле:
n1 k1n ; (8) г) для оставшейся части совокупности в количестве (n - n1 ) элементов определялся коэффициент вариации Vост : если Vост > 0,33, то повторялись операции с а) по в), пока не была исчерпана первоначальная совокупность. Если Vост 0,33, то образование однородных групп считалось законченным.
В третьем разделе диссертации представлены результаты практических исследований динамики оползневых процессов по разрабатываемой методике.
На этапе перехода от скорректированных высот реперов от значений перемещений, наблюдавшихся на разновременных межцикловых интервалах, к скоростям этих перемещений, в результате сравнительного анализа установлено, что только в 24 случаях из 120 значения скоростей меньше погрешности их вычисления. Имеющая место близость значений скоростей и их погрешностей обусловлена малыми скоростями на коротких межцикловых интервалах времени, а также недостаточной точностью нивелирования III класса. При этом учитывалось, что значения плюсовых скоростей уменьшены продолжавшимися в процессе разгрузки склона естественными перемещениями оползня вниз, а минусовые скорости снижены инерционным влиянием предшествующей разгрузки.
На представленном графике (см. рисунок 1) показаны развития во времени отрицательной и положительной частей рассматриваемого оползневого процесса.
Тем самым была доказана разнознаковая реакция оползневого склона на взрывные и разгрузочные воздействия.
Раздельное конструирование отрицательных и положительных перемещений отразило различную природу реакции склона на взрывы и разгрузку. В таблице 2 представлены результаты описанной процедуры моделирования. Раздельное центрирование вышеуказанных составляющих процесса, в результате которого выявился характер двух видов влияния техногенных воздействий в форме изменений во времени средних значений перемещений, зафиксированных наблюдениями, представлено на рисунках 3 и 4. Интерпретация плюсовой реакции оползневого склона на его разгрузку опирается на имеющийся опыт геодезического контроля за подъёмом дна глубоких котлованов, создаваемых при строительстве высотных зданий. Подъём возникает вследствие разуплотнения грунта после снятия, так называемого бытового давления. Очевидно, что взрывные воздействия усиливают естественное движение грунтовых масс вниз по оползневому склону.
Отметим важную особенность. По существу, выделенные пунктиром на обоих графиках границы усредненных центрированных процессов (см. рисунок 5) восстанавливают утраченную ретроспективу проведения взрывных работ и разгрузки оползневых склонов на основе геодезических данных, что в существующих условиях отсутствия какой-либо информации о времени проведения взрывов и разгрузки склонов имеет очень важное значение.
Центрированные значения обеих составляющих процесса оказались близкими между собой, поскольку отражали преимущественно естественный характер его развития со слабым проявлением отмеченного выше компенсационного и инерционного влияния техногенных факторов. Это позволило объединить центрированный процесс в пять реализаций (см. рисунок 5) путём осреднения его значений по близкорасположенным соседним сечениям и включения значений отдельных удаленных сечений (таблица 3).
Таблица 3 - Фрагмент осреднения значений перемещений по близкорасположенным соседним сечениям и включениям значений отдельных удаленных сечений (мм) Межцикловой , год Номера реперов интервал 8021 8022 8023 8024 801Ц4 0,88 -5,66 -10,82 -3,76 -0,82 21,4Ц6 1,17 0,43 4,30 -1,29 -2,15 -1,6Ц8 0,60 4,65 -1,16 -5,04 -6,98 8,8Ц10 0,45 1,55 12,40 5,43 0,78 -20,10Ц12 0,53 2,69 -8,16 -1,96 1,14 6,12Ц15 0,64 -0,10 4,55 -5,79 -0,79 2,15Ц16 0,78 7,33 1,69 7,33 -1,13 -15,16Ц18 0,66 1,85 -5,19 0,50 3,42 -0,18Ц20 0,81 17,14 16,85 7,83 -11,61 -30,20Ц22 0,80 -1,86 3,23 -5,40 -2,97 7,22Ц24 0,55 -1,24 -7,44 4,96 4,96 -1,24Ц25 0,88 -0,83 -0,83 1,24 7,44 -7,Построенные прогнозные математические модели в виде аппроксимиро ванных во времени стандарта (t ) и автокорреляционной функции rх при х j нулевом математическом ожидании mх (t ) имеют вид:
j mх (t ) = 0, j 1 0,8302 0,3128, t = 0,998, (9) (t ) t х j j 0,02802t rх = 0,84995е, rt 0,475.
Выявление границ статистически однородных участков вертикальных перемещений оползней производилось по результатам наблюдений за всеми оползневыми реперами, сохранившимися от взрывов на исследуемом интервале времени, расположенных вблизи створа плотины. Участки формировались для выбранных циклов наблюдений по критериальному выбору средних значений их перемещений, а однородность оценивалась по значениям коэффициентов вариации. Полученные результаты позволили восстановить утраченную ретроспективу влияния техногенных воздействий на динамику исследуемых оползней.
Перед началом исследований предварительно было выполнено разделение вычисленных значений вертикальных перемещений наблюдаемых реперов на группы с отрицательными и положительными значениями, показывающими реакцию оползневого процесса в условиях проведения взрывных работ и последующую разгрузку оползневого склона. В отдельную группу выделены реперы, для которых значения перемещений равны нулю.
Нормальность распределения всей исходной совокупности исследуемого оползневого процесса выполнялась приближённым методом с использованием критериев асимметрии и эксцесса. Убедившись в нормальности распределения, осуществлялись этапы (с а) по г)) формирования по геодезическим данным статистически однородных групп перемещений оползневых масс. В каждой вновь образованной группе вычислялись статистические характеристики: среднее значение x, стандарт , коэффициент вариации V. В таблице 4 представлены x результаты окончательного формирования статистически однородных групп.
По данным таблицы видно, что фактическая средняя величина в каждой группе близка к середине соответствующего интервала, а это возможно лишь при условии достаточной однородности данных частей совокупности. О том, что такая однородность достигнута, свидетельствуют фактические значения коэффициентов вариации, полученные в каждой группе. Средние арифметические величины по каждой группе существенно отличаются от общей средней.
Дальнейшая процедура заключалась в графическом представлении границ оползневых зон в инструментальном пакете CREDO_ТОПОПЛАН. Для выделения статистически однородных групп перемещений оползневых масс выпол нено моделирование ситуации по плановым координатам реперов. Группировка однородных зон выполнена как моделирование рельефа с последующим выделением границ каждой статистически однородной группы (рисунок 6).
Таблица 4 - Результаты окончательной группировки однородных групп Номер Середина Объем Номера реперов x групп интервала x V группы 1 8022, 8021, 8023, 8024, 8067 - 7,00 -7,00 2,00 - 0,29 2 8069, 8068, 8028, 8061 - 2,75 -3,00 0,96 - 0,35 3 8027, 8029, 8062, 8064, 8065 - 1,00 -1,00 - - 4 8025, 8026, 8030, 8035, 8036, 0 0 - - 8037, 8063, 805 8031, 8032, 8038, 8056, 8057 1,60 1,50 0,55 0,34 6 8033, 8039, 8040, 8046, 8047, 4,75 4,50 1,16 0,25 8058, 8059, 807 8034, 8041, 8042, 8043, 8044, 8045, 8048, 8049, 8050, 8051, 8,29 9,50 2,01 0,25 8052, 8053, 8054, 80Результаты реализованной методики выделения статистически однородных групп перемещений оползневых масс на основе геодезических данных по вертикальным перемещениям осадочных реперов в различные периоды наблюдений позволяют в дальнейшем выявить изменения в составах этих групп, так как именно по характеру этих изменений можно судить о вариации силы и характера факторов, воздейстРисунок 6 - Моделирование однородных зон вующих на оползневой перемещений оползня (группа 7) процесс.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации получены следующие основные результаты:
а) аналитически обоснована разработка методики разделения оползневого процесса в виде двух составляющих, связанных с выполнением взрывных работ и разгрузкой склонов путём вывоза грунта из карьеров; дана экспериментальная оценка реализации этой методики:
- методом Федосеева Ю.Е. объективно определено в каждом цикле наблюдений взаимное высотное положение исследуемой группы, состоящей из пяти мобильных реперов;
- осуществлён переход от межцикловых превышений к скоростям развития этих превышений в связи с различной величиной межцикловых интервалов; выведена формула для оценки точности скоростей и убедительно показано, что имеет место разнознаковое развитие оползневого процесса при воздействии взрывов и разгрузке склонов;
б) реализована методические решения перехода к центрированному нормально распределённому процессу вертикальных оползневых перемещений с нулевым математическим ожиданием, свободному от влияния взрывных и разгрузочных воздействий с последующим кинематическим моделированием этого процесса с инверсной верификацией исходных и модельных значений центрированных перемещений:
- переход осуществлён на основании близости разнознаковых центрированных процессов;
- выявлены по геодезическим данным кульминационные моменты взрывных и разгрузочных воздействий на развитие процесса;
- выделено развитие оползневого процесса вертикальных перемещений, свободное от влияния техногенных воздействий; произведено его математическое моделирование;
в) разработана методика определения границ однородных оползневых зон по вертикальным перемещениям осадочных реперов в разных циклах наблюдений; с использованием инструментального пакета CREDO_ТОПОПЛАН построены границы однородных оползневых зон.
СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ 1. Васильев, Е. А. О повышении эффективности геодезических исследований динамики оползневых склонов [Текст] / Е. А. Васильев, Ю. П. Гуляев, О. Г. Павловская // Геодезия и картография. - 2010. - № 9. - С. 6Ц9.
2. Павловская, О. Г. Выявление однородных групп перемещений оползневых знаков [Текст] / О.Г. Павловская, Ю. П. Гуляев // Сб. материалов V Междунар. научн. конгр. ГЕО-Сибирь-2009, 20Ц24 апр. 2009 г. - Новосибирск:
СГГА, 2009. - Т. 1, ч. 2. - С. 117Ц121.
3. Гуляев, Ю. П. Геодезическое выявление закономерностей реакции оползня на взрывы и разгрузку [Текст] / Ю. П. Гуляев, О. Г. Павловская // Сб. материалов VI Междунар. научн. конгр. ГЕО-Сибирь-2010, 19Ц29 апр. 2010 г. - Новосибирск: СГГА, 2010. - Т. 1, ч. 1. - С. 174Ц176.
4. Павловская, О. Г. Оценка точности определения скорости оползня [Текст] / О. Г. Павловская // Сб. материалов VI Междунар. научн. конгр. ГЕОСибирь-2010, 19Ц29 апр. 2010 г. - Новосибирск: СГГА, 2010. - Т. 1, ч. 1. - С. 190Ц192.
5. Павловская, О. Г. Методика выделения однородных оползневых зон по результатам геодезических наблюдений [Текст] / О. Г. Павловская, В. С. Хорошилов // Сб. материалов VII Междунар. научн. конгр. ГЕО-Сибирь-2011, 19 - 29 апреля 2011 г. - Новосибирск: СГГА, 2011. - Т. 1, ч. 1. - С. 84Ц88.
6. Гуляев, Ю. П. Исследование особенностей техногенной динамики оползней [Текст] / Ю. П. Гуляев, О. Г. Павловская // Тр. Междунар. научн. конф.
Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии. - М.:
МГУ, 2010. - С. 187Ц188.